深基坑开挖安全性措施及应用
1 引言
深基坑工程是一个危险性较大的分部工程, 它包括: 土方开挖、降水排水、基坑支护、止水帷幕、临边防护工作等内容, 且在深基坑施工过程中受水文地质、地下水情况、周边环境、支护方案及施工方法的影响，很容易发生一些安全事故，应采取相应措施。本篇章首先介绍了深基坑开挖技术的主要安全措施，并结合具体工程情况，阐述了其在新广州站站房桥深基坑施工中的应用。采用连续墙的围护结构形式、部分淤泥基底提前加固、分段开挖等多种方式,保证了深基坑开挖的安全,并减少了对附近居民正常生活的影响，为今后类似基坑设计施工提供借鉴。
2 深基坑开挖技术安全措施
2.1 施工前控制
2.1.1分析地质勘察报告
施工前应对工程的地质勘察报告认真分析研究, 根据挖土深度范围内不同土质的物理性能和地下水位情况(特别是丰水期的水位情况) , 选择相应的土方开挖、支护结构及降水方案。基坑支护结构应进行承载能力极限状态的计算及对基坑周边环境及支护结构变形进行验算根据基坑的实际情况, 选择确定安全、可靠的施工方案, 并组织专家组对方案进行论证评审。针对具体工程有可能采用的几种支护形式并从技术上和经济上进行分析比较。
(1) 基坑范围内地质条件较差,地面以下有淤泥、淤泥质土、淤泥质砂土及较厚的饱水砂层时,围护结构不宜使用人工挖孔桩。钻孔灌注桩抗渗性差,桩外需设止水帷幕,止水效果不易保证。
(2) 地下连续墙适用于复杂施工环境和多种地质条件的基坑支护工程,其整体性、抗渗性较好,主体围护结构着重考虑采用地下连续墙的结构形式。
(3)钢管支撑和钢筋混凝土支撑具有整体性好的优点。而钢管支撑可以施加预加力,可以根据计算分析及监测情况针对围护结构不同部位施加不同的预加力,有效控制围护结构的变形,且架设方便,拆除容易。对于地质条件较差, 即软土地基及松杂填土地基, 坑边距周围建(构) 筑物较近时, 宜选择排桩或地下连续墙支护结构, 不宜选择土钉墙支护结构, 并制定安全措施方案。
2.1.2硬化处理基坑周围场地
基坑周围场地范围内地面应做硬化处理, 布置完善的排水系统, 预防雨季大量雨水涌入基坑, 或渗透到基坑周边的土体中, 破坏了边坡土体结构, 降低边坡土体的稳定性。
2.1.3建立系统的监控方案
在深基坑开挖的施工过程中，基坑内外的土体将由原来的静止土压力状态向被动和主动土压力状态转变，应力状态的改变引起土体的变形，即使采取了支护措施，一定数量的变形总是难以避免的[1]，所以基坑施工前应做出系统的监控方案。监控方案包括监控目的、监控项目、监控报警值、监控方法及精度要求、监测点的布置、监测周期、工序管理和记录制度以及信息反馈系统等。
2.2施工过程中的控制措施
2.2.1测量定位与监测控制
测量定位应确保工程的边线、轴线、标高等准确, 同时对周边建(构) 筑物做好监测记录, 特别是地下水位高、需采取降水方案的基坑施工, 对基坑周边进行沉降观测,以防过量降水造成基坑周边出现沉降开裂, 还应对边坡及支护结构进行监测。对深基坑施工过程进行综合监测的重要性可综述如下：
(1)验证支护结构设计，指导基坑开挖和支护结构的施工。当前基坑支护结构设计水平处于半理论半经验的状态，土压力计算大多采用经典的侧向土压力公式，与现场实测值相比较有一定的差异，还没有成熟的方法计算基坑周围土体的变形情况因此，在施工过程中迫切需要知道现场实际的应力和变形情况，与设计时采用值进行比较，必要时对设计方案或施工过程和方法进行修正。
(2)保证基坑支护结构和相邻建筑物的安全。在深基坑开挖与支护工程中，为满足支护结构及被支护土体的稳定性，首先要防止破坏或极限状态发生在破坏前，往往会在基坑侧向的不同部位上出现较大的变形，或变形速率明显增大。支护结构和被支护土体的过大位移，将引起邻近建筑物的倾斜或开裂，邻近管道的渗漏，有时会引发一连串灾难性的后果。如有周密的监测控制，无疑有利于采取应急措施，在很大程度上避免或减轻破坏的后果。
(3)总结工程经验，为完善设计分析提供依据。支护结构的土压力分布受支护方式、支护结构刚度、施工过程和被支护土类的影响，并直接与侧向位移有关，往往是非常复杂的。现行设计分析开挖与支护监测结果，对于总结工程经验，完善设计分析理论都十分重要，根据基坑采用信息化施工，对围护结构体系监测内容包括[2-3]：墙体测斜、墙顶位移，墙体沉降，支撑轴力，立柱沉降，坑内土体回弹，坑外水位，土压力（设计要求），墙体弯矩（设计要求）。对周边环境的安全进行监控的内容主要包括：地表沉降，建筑物沉降，地下管线监测等。
2.2.2施工方案的控制
必须严格按照批准的施工方案进行组织施工, 不得随意变更。需修改变更方案时, 应按审批后的方案进行施工。基坑坑顶边缘不得任意堆放土方、材料及设备, 特别是有振动作用的设备, 避免增加坑顶边缘荷载作用。加大边坡及支护结构的承载压力, 同时在坑顶设挡水设施, 防止雨水流入基坑冲刷坡面。
2.3 建立应急救援预案
深基坑工程施工因受内部水文地质和外部周围环境及气候的影响较大, 具有较大的危险性和不可预见性, 需对工程的危险源进行评估、分析, 施工单位还应建立和制定相应的应急救援预案。从公司到项目部及作业班组的应急救援体制, 在人、财、物上全面落实, 工作责任层层落实到位, 防止突发事故的发生, 对紧急情况做出迅速反应。一旦发生或可能发生的危及周围建(构) 筑的安全、周边沉降开裂、基坑支护结构的稳定、坍塌以及雨季影响等,能快速及时起动紧急应急准备方案实施抢险救援, 防止事故进一步发展并得到有效控制。
3工程实例应用
3.1工程概况
新广州站主要位于鱼塘水网地带，主要为冲-洪积砂层、可塑状残积土层、强风化砂岩中，地下水丰富、水位高。新广州站与地铁站同期建设，并且同时在7～9轴范围内施工，具有施工交叉作业多、施工干扰性大等特点。
3.2围护方案
围护结构的设计,不仅关系到基坑开挖及周边保护建(构) 筑物的安全,而且直接影响着土方开挖以及地下室结构施工等施工成本。基坑支护结构是个系统工程,不仅要保证受力合理,而且要施工方便、工期节省。首先要保证安全,存在重大安全隐患的方案实际上是没有任何现实意义,而且可能带来巨大的经济损失,然后尽量节省造价,过于安全但太浪费的方案也不符合市场需求,最后考虑施工的方便性,施工的方便性可以在施工中节省工期、降低施工造价。为保证地铁周边安全及取得较好的止水效果，地铁基坑围护结构采用如下图1（地铁主体围护结构横断面图 ）：
图1 围护结构横断面图
3.3 基坑开挖施工方法
3.3.1基坑开挖断面
在开挖区围护结构以及两端搅拌桩止水帷幕完成后，地铁首先开挖－4.5m以上土方，然后进行基坑土石方开挖，从中间往东、西两端分段分层开挖，每一段从上到下分2层开挖，纵向分为4段，基坑开挖1/2横断面图如图2所示。
图2 基坑开挖1/2横断面图
3.3.2基坑降排水
围护结构基本上进入到中风化、微风化岩层，渗流量不大，基坑挖土施工期内降水考虑雨水、土层中的原有地下水及少量的坑底渗流水，以地面挖沟设集水井抽水方式抽出坑内积水为主，控制开挖土方的含水量不致过大，影响开挖效率和环保。开挖好后的基坑四周设置50×50cm的排水沟，4个角设1.5×1.5cm的集水坑，将基坑内地表水引入其中，采用大泥浆泵把基坑内的水排至7轴止水帷幕外经卸载后（深1.5m）的基坑内，此基坑可以作为大开挖的明排水沟（截水沟）。
3.3.3土石方开挖施工方法
根据基坑开挖区域的工程地质、水文地质、施工场地情况，综合考虑工期要求、施工总体安排等各种因素，确定施工方法，基坑开挖方法采用台阶法，台阶宽10m。开挖方向为从开挖区中部（国铁7、9轴之间）开始沿地铁线路横向向两侧推进，先施工西区，再施工东区，每区设置4个开挖工作面。开挖步骤分三步进行：清除地表泥浆、流泥、表层土到-0.914m标高；开挖一级基坑，一级基坑国铁承台范围内底面标高为-4.214，地铁结构范围内底面标高为-5.214；开挖二级基坑，二级基坑国铁承台范围内底面标高为-9.214（-7.912），地铁结构范围内底面标高为-10.884。挖出的土方甩至一级基坑后运走。
3.4基坑开挖安全技术保证措施
本地铁淤泥层较厚，地质较差，且地下地层易液化，对基坑开挖施工极为不利，在施工中须采取有效的措施确保施工过程中的安全。
3.4.1防边坡失稳措施
(1)分层开挖，层间设台阶，每层开挖边坡坡率根据地质情况按规定放坡，保证边坡稳定。(2)在基坑四周及基坑内设置完善通畅的排水系统，保证雨季施工时地表水的及时抽排。(3)暴雨或大雨来临前，停止开挖，立即对边坡进行覆盖防护。
3.4.2防涌水涌砂措施
(1)、及时反馈的监测信息严格控制水泥搅拌桩挡墙变形在允许范围内，遇接缝等薄弱环节错位开裂，出现渗水通道时，及时处理。
(2)、在开挖过程中，如出现较大的渗漏水现象，则须回填部分土方，然后在该处对应的围护结构外侧旋喷桩处理堵漏后开挖。
(3)、开挖过程对围护接缝等薄弱部位加强巡视，若出现少量渗漏，及时处理，先堵漏后开挖，防止渗漏点扩大。
3.4.3防止可能液化的措施
(1)、基坑降水是基坑开挖的基本保证，降低开挖土层的含水量。
(2)、基坑边上不设过重堆载，大型吊机须距基本边线一定安全距离外作业。
(3)、雨季施工注意防止水流入基坑，基坑边上设截水沟，及时排走水流。
(4)、及时将地面及坑内积水排走，保持基坑底干爽。
3.5监测控制与应急预案
3.5.1监测基坑外围土体裂缝
基坑开挖时应重视对周边的巡视，如发现地面有裂缝出现，应立即用水泥砂浆填实，并组织各方分析出现裂缝的原因。
3.5.2监测桩裂缝
由于混凝土的抗拉强度较低，桩一般都是带裂缝工作的，这属于正常的现象。但须加强观测，随着桩变形加大，裂缝不断开展，如出现横向的渗渍，此时须引起高度的警惕，并及时分析原因，及时采取措施。
3.5.3应急预案
本基坑开挖场地的水文地质条件相对较差,开挖面积大,深度深挖,开挖时周围的动水压力和土压力会相对增大,可能引发基坑涌水、涌砂事故。基坑开挖的过程中，出现围护结构桩与桩之间涌水涌砂现象，其预案为：准备一定数量的沙包；预备高压旋喷设备1套；万一出现较大渗漏，首先停止开挖，采用沙包反压渗漏点，防止渗漏扩大。然后在围护桩渗漏点外侧再施作三根φ600旋喷桩堵截渗漏视具体情况而定（见图3）。
图3桩间防渗堵漏示意图
4 结语
基坑工程是一个大的系统工程，它的施工过程包括围护施工、加固、降水、开挖、支撑等众多的施工工艺，而基坑变形伴随着基坑施工的全过程深基坑工程施工因受各种因素影响较大, 较容易出现安全事故隐患, 严重的还会影响到工程质量。因此, 深基坑工程施工要根据其特点, 了解和掌握一切不利因素, 重视容易发生安全事故的管涌、坍塌、开裂沉降、滑移、大暴雨等因素, 采取相应的预防措施, 制定切实可行、安全、合理施工方案和方法, 严格按照规范要求施工。如在施工过程中对各个环节加强监测、检查并采取有效的预防控制措施, 能保证深基坑工程施工的安全。